曲线顶管管幕管间相互影响研究 - 李志宏 - 图文

曲线顶管管幕管间相互影响研究

文章编号：1009-6582（2015）03-0063-06

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGYDOI:10.13807/j.cnki.mtt.2015.03.009

曲线顶管管幕管间相互影响研究

李志宏1

李剑2

(1广东省南粤交通投资建设有限公司，广州510101；2港珠澳大桥珠海连接线管理中心，珠海519030)

摘要曲线顶管管幕施工较直线顶管管幕精度控制难度大、管间相互影响显著、管幕形成更难。文章以港珠澳

大桥拱北隧道曲线顶管管幕施工为依托，通过模型试验、数值模拟、现场试验等手段对曲线顶管管幕管间相互影响进行了研究，分析了顶管对土体的累积扰动、土体应变以及管土接触压力、轨迹影响等规律特征。结果表明：顶管顶进过程中，顶管机头前方的地表发生隆起，机头前方土体横、纵向应变增大；模型试验所得土体的位移及应变变化规律与数值模拟结果较为一致；在顶进参数有效控制、施工措施得当的条件下，通过及时测量纠偏，曲线管幕顶管间的相互影响可得到有效降低和控制，可确保顶管形成管幕。

关键词

曲线顶管管幕相互影响模型试验数值模拟

文献标识码：A

中图分类号：U455

1引言

管幕法首次应用于1971年日本Kawase-Inae

重叠，最后又分离并行”的形式设置，其中口岸段采用了255m曲线管幕冻结法暗挖施工，是世界上首座采用该工法施工的双层公路隧道，如图1所示。

隧道暗挖段采用上下叠层的卵形结构，开挖断面336m2。首先采用36根φ1620mm的顶管形成超前支护，后采用冻结法对管幕之间的土体进行冻结，在顶管管幕冻结止水帷幕的超强支护下实施暗挖施工（图2）。管幕穿越的土层有填筑土、淤泥质粉质粘土、粉土、中细砂、淤泥质粉土、粉质粘土、砾砂。顶部管幕覆土厚度约4~5m。顶管标准管节长度均为

穿越铁路的通道工程中[1]。我国首次应用管幕工法是1984年在香港修建的地下通道，1989年台北松山机场地下通道工程采用了管幕结合ESA箱涵推进工法施工[2]。2004年上海中环线虹许路北虹路地道采用了管幕结合箱涵顶进的工法，其矩形管幕由

80根直径970mm的钢管组成[3~6]。根据调研，目前

已实施的管幕工程均为直线管幕，多采用管间锁口注浆的形式进行止水。港珠澳大桥拱北隧道口岸段提出了255m的曲线管幕配合冻结止水的暗挖方案

[7,8]

4m，中板以上壁厚20mm，中板以下壁厚24mm。

，这就导致了曲线管幕精度控制难度加大、管间

3

3.1

土箱模型试验及结果分析

土箱模型试验

为研究顶管间相互影响，根据相似理论开展了

相互影响增强、管幕形成难度增大等问题。本文依托该管幕工程，对管幕顶管管间相互影响进行研究分析，为曲线顶管管幕工法的应用提供参考。

土箱模型试验研究。试验钢管直径324mm、壁厚4

2拱北隧道曲线顶管管幕工程

拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的关键性控

mm，长1.5m，顶管间距72mm。试验模拟顶进设备

采用了切削刀盘与螺旋钻杆结合的装置，刀盘直径

335mm，试验土体采用1.5m的砂层，如图3所示。

试验采集数据包括后顶顶管顶进过程中作用在先顶

制工程，隧道长2741m，按照“先分离并行，再上下

修改稿返回日期：2014-12-11

基金项目：交通运输部建设科技项目(2013318J11300)；广东省交通运输厅重大工程科技项目(2010-01-002).

作者简介：李志宏(1980-)，男，博士，高级工程师，主要从事隧道及地下隧道工程、高速公路等的建设管理工作，E-mail：lizhihong0701@163.com.

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

63

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY曲线顶管管幕管间相互影响研究

图1拱北隧道曲线顶管管幕设计方案

Fig.1Designoptionforthecurvedpipe-roofintheGongbeitunnel

图4土压力监测点布设示意

Fig.4Layoutofthesoilpressuremonitoringpoints

图2拱北隧道曲线顶管管幕工程示意

Fig.2Curvedpipe-roofintheGongbeitunnel

10cm和50cm时沉降监测断面1的变形情况。先

顶顶管顶进完成后，监测断面1总体呈沉降状态，后顶顶管顶进过程中该沉降槽不断发展，由原来的

0.88mm发展至2.34mm，地表沉降表现出累积效

应，最大沉降位置移至靠近后顶顶管轴线上方。

根据监测结果，靠近顶管机头前方土体应变变化比较明显。先顶顶管顶至60cm时，横向光纤应变发生变化的主要集中在前三排光纤，如图7（a）所示。在先顶管轴线附近前方水平位置处，第一排光

图3土箱模型试验

纤应变增大，远离顶管轴线的两侧应变减小。第二排光纤应变也存在类似的规律，但应变变化较小。第三排光纤未发生局部应力集中变化的现象，应变均在-500~-600με之间。顶管顶进对纵向光纤的影响主要集中在第一列到第四列，如图7（b）所示。由图可知，先顶管两侧及轴线正上方的纵向光纤应变减小。

Fig.3Soil-boxmodeltest

顶管上的附加土压力、地表变形、土体内部应变等，监测点布置如图4、图5所示。

3.2试验结果

图6（a）为先顶顶管顶进10cm和50cm时沉降监测断面1的变形情况。由图可知，顶管机机头前方土体发生隆起，顶进10cm时顶管轴线上方隆起值最大为0.14mm。顶进50cm时，断面1发生沉降，最大沉降为0.74mm。图6（b）为后顶顶管顶进

64

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

4

4.1

土箱模型试验数值模拟

数值模拟及结果分析

为与土箱模型试验进行对比，利用数值模拟技

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

曲线顶管管幕管间相互影响研究

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY图5地表沉降及土体应变光纤平面布置示意

Fig.5Layoutofthesurfacesubsidencemonitoringandsoilstrainmonitoringwithopticalfibers

图6顶进10cm和50cm时监测断面1变形曲线

Fig.6Deformationcurvesofmonitoringsection1atjackingdistancesof10cmand50cm

图7先顶顶管顶进至60cm时横向及纵向光纤应变增量曲线

Fig.7Curvesofstrainincrementsmeasuredbytransverseandlongitudinalopticalfibersattheadvancepipe-jackingreaching60cm

术对土箱模型试验进行了计算。土体的计算参数为：弹性模量30MPa，泊松比0.3，密度1650kg/m3，内摩擦角35°，内聚力1kPa，土体采用摩尔-库伦模型。顶管计算参数为：弹性模量210GPa，泊松比

顶顶管正上方土体沉降值最大为2.196mm，沉降槽曲线偏向于先顶顶管。后顶顶管使土体发生进一步沉降，反映出土体扰动的累积效应，最大沉降达到

0.3，密度7800kg/m3，顶管采用弹性模型。顶管施工

之前首先建立管土相互作用的初始形态，采用位移贯入动态模拟顶管的施工过程，每次顶进施工0.2

2.659mm。当两根顶管顶进完成后，土体位移沉降槽曲线大致关于模型呈对称分布，如图8所示。

先顶顶管与土体的接触压力在后顶顶管施工前后变化如图9所示。由图可知，先顶顶管顶进完成后，其管土接触压力分布较为均匀，约为4kPa；后顶顶管顶进完成后，靠近后顶顶管侧的管土接触压

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

m，每根顶管分8级开挖，直至顶管施工完成。

根据计算结果，先顶顶管使土体发生沉降，在先

65

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY曲线顶管管幕管间相互影响研究

力增大，最大值达到6.35kPa。

4.2与土箱试验结果对比分析

图10所示为数值模拟与模型试验在沉降监测

断面1的对比曲线，由图看出两者的地表变形曲线趋势相近，最大沉降量较为接近，土箱试验结果略大于数值模拟结果，且土箱试验相对于数值模拟结果，最大沉降位置更靠近后顶顶管轴线，这与实际施工

图8土体位移沉降槽曲线

监测结果相同；在靠近两侧箱壁位置，二者地表变形结果相差较大，数值模拟地表沉降明显大于土箱试

Fig.8Curvesofsoilsettlementtrough

图9后顶顶管施工前后先顶顶管与土体的接触压力变化

Fig.9Variationsofcontactpressuresbetweenadvancejackingpipeandsoilbeforeandaftertheconstructionofthelaterjackingpipe

验结果，这是由于试验过程中，箱壁和土体之间存在摩擦力，一定程度上限制两侧土体的沉降。

图11为先顶顶管顶进时第1、第2排横向水平光纤应变规律。由图可得，土箱试验中光纤测得的土体应变增量与数值模拟得到的应变增量曲线趋势基本相同，特别是在先顶顶管正前方的土体中，应变均出现集中现象。二者的数值差异可能是由于光纤与

图10监测断面1数值模拟与土箱试验地表变形对比曲线

土体二者的耦合作用不足所导致。

先顶顶管的附加应力对比情况如图12所示，数值模拟和土箱试验的曲线具有相似性。后顶顶管顶

Fig.10Comparativecurvesofgrounddeformationatmonitoringsection1obtainedbythenumericalsimulationandsoil-boxtest

图11先顶顶管顶进40cm时横向光纤应变增量对比曲线

Fig.11Curvesofstrainincrementsmeasuredbytransverseopticalfibersattheadvancepipe-jackingreaching40cm66

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

曲线顶管管幕管间相互影响研究

进过程中先顶顶管上的附加土压力在水平位置（0°）最大。但土箱试验最小附加土压力出现在顶管的顶部和底部，而数值模拟最小附加土压力出现在顶管±45°位置，且顶管下部位置附加土压力小于上部附加土压力，这是由于顶管的承载作用使得下部土体受到的扰动较小，附加土压力也相应较小。

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY5现场原位试验

为进一步研究管幕顶管间的相互影响，在拱北

隧道施工现场开展了原位试验研究，如图2中所示的0#试验管和5#管。试验管顶进长度255m，埋深约为7～8m。试验管位于曲率半径R=885.852～

906.298m的缓和曲线和圆曲线上，试验管直径

φ1620mm，管节长度4m，壁厚20mm，两管间距

为35.7cm。首先顶进0#试验管，0#管完成后再顶进

5#管。0#管顶进完成后，通过测量复核其轨迹线，如

图13所示。

5#管完成后对0#管的轨迹进行复测，并与之前

的轨迹曲线进行对比，经分析5#管对0#试验管影响较小，5#管顶进前后0#试验管最大偏移12mm，平

图12先顶顶管附加土压力对比曲线

均偏移4mm，如图14所示。

Fig.12Comparativecurvesofadditionalsoilpressuresonthe

advancejackingpipe

6结论

图130#试验管轨迹与设计轴线对比曲线

Fig.13Comparativecurvesoftheactualjackingpathandthedesignaxisfortestpipe0#

本文通过土箱模型试验、数值模拟以及现场原位试验等手段对曲线顶管管幕管间相互影响开展了初步研究，得到如下相关结论：

（1）顶管顶进过程中，顶管机头前方的地表发生隆起；机头前方土体横向应变增加，两侧土体应变减小或变化不大；机头附近土体纵向应变增大，远离机头区域土体应变变化不大，顶管影响较小。

（2）土箱试验数值模拟结果显示，先顶顶管顶进完成后，土体发生沉降且顶管正上方沉降值最大，达到2.196mm。后顶顶管使土体进一步沉降，土体

图145#管对0#试验管的影响

最大沉降达到2.659mm，反映出土体扰动累积效应，沉降槽曲线大致关于模型对称分布。

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

Fig.14Theeffectsofpipe5#ontestpipe0#

67

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY曲线顶管管幕管间相互影响研究

的参考意义。

（5）通过现场原位试验的监测数据分析，在顶进参数有效控制、施工措施得当的条件下，通过及时测量纠偏，顶管的精度控制可满足工程要求，管幕顶管间的相互影响作用可得到有效降低和控制，可确保顶管群管形成管幕。

（3）根据数值模拟，先顶顶管完成后，作用在先顶顶管上的管土接触压力分布较为均匀，约为4

kPa；后顶顶管使先顶顶管靠近后顶顶管侧增大到6.35kPa。

（4）模型试验所得土体的位移及应变变化规律与数值模拟结果较为一致，数值模拟结果具有很高

参考文献

References

[1]CollerP.J.,AbbottD.G.MicrotunnelingTechniquestoFormAnIn-situBarrieraroundExistingStructures[C].HighLevel

RadioactiveWasteManagement-ProceedingsoftheAnnualInternationalConference,LasVegas,NV,USA,1994,(2):386-394[2]熊谷镒.台北市复兴北路穿越松山机场地下道之规划与设计[J].福州大学学报(自然科学版),1997,25(S1):56-60

XiongGuyi.PlanningandDesignofNorthFuxingRoadTunnelPassingThroughSongshanAirportinTaipei[J].JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition)1997,25(S1):56-60

[3]葛金科.饱和软土地层中管幕法隧道施工方案研究[J].上海公路,2004,(1):38-43

GeJinke.TheStudyonConstructionMethodofPipe-RoofingTunnelinSaturatedSoftSoil[J].ShanghaiHighway,2004,(1):38-43

[4]李向阳,闫治国,朱合华,蔡永昌,刘学增.软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟[J].地下空间,2004,24(z1):688-691LiXiangyang,YanZhiguo,ZhuHehua,CaiYongchang,LiuXuezeng.ExcavationNumericalSimulationofCulvertBoxAdvancedinPipe-RoofInSaturatedSoftSoilLayer[J].UndergroundSpace,2004,24(S1):688-691

[5]陆明,朱祖熹,陈鸿.管幕法箱涵顶进施工工艺的防水设计探讨[J].中国建筑防水,2006,(9):39-42

LuMing,ZhuZuxi,ChenHong.DiscussionofWaterproofingDesigninBoxCulvertJackingPlusPipeCurtainMethod[J].ChinaBuildingWaterproofing,2006,(9):39-42

[6]孙钧,虞兴福,孙旻,李向阳.超大型\管幕-箱涵\顶进施工土体变形的分析与预测[J].岩土力学,2006,27(7):1021-1027SunJun,YuXingfu,SunMin,LiXiangyang.AnalysisandPredictiononSoftGroundDeformationofaSuper-LargeShallowBuried\andBox-Culvert\JackingProjectUnderConstruction[J].RockandSoilMechanics,2006,27(7):1021-1027[7]余晶,程勇,贾瑞华.港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道方案论证[J].现代隧道技术,2012,49(1):119-125

YuJing,ChengYong,JiaRuihua.OptionDemonstrationfortheGongbeiTunnelattheZhuhaiLinkoftheHongKong-Zhuhai-MacauBridge[J].ModernTunnelingTechnology,2012,49(1):119-125

[8]胡向东,任辉,陈锦,程勇,张军.管幕冻结法积极冻结方案模型试验研究[J].现代隧道技术,2014,51(5):92-98

HuXiangdong,RenHui,ChenJin,ChengYong,ZhangJun.ModelTestStudyoftheActiveFreezingSchemefortheCombinedPipe-RoofandFreezingMethod[J].ModernTunnellingTechnology,2014,51(5):92-98

（下转第102页）

68

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

现代隧道技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY穿越软硬交界面隧道结构动力响应特性研究

AbstractTunnelportalsectionspassingthroughaninterfaceofhardandsoftrockarevulnerabletosevere

damageatthishighintensityseismicarea.BasedontheLongxitunnelontheChengdu-Wenchuanexpressway,theearthquakedynamicresponseofatunnelportalstructurewasanalyzedusingthenumericalsimulationmethodforvariousinclinationanglesofthesoft/hardrockinterface.Theresultsshowthat:1)therelativedisplacementofthetunnelliningstructureincreasesobviouslyduringastrongearthquakewhenthetunnelstructurepassesthroughtheinterfacebetweensoftandhardrock,andtherelativedisplacementofthetunnellininginthediagonaldirectionishigherthantherelativehorizontaldisplacementatthetunnelcrownandinvert;2)therelativedisplacementofthetunnelstructureatthesoft-rocksideoftheinterfaceincreaseswiththedecreaseoftheinclinationangle,whiletheearthquakemotionhaslittleinfluenceonthetunnelstructuredeformationatthehard-rockside;and3)underaninclinationangle＜45°,theearthquakemotionhasacrucialinfluenceonthesafetyoftheuppertunnelstructures(crownandspandrel)withsomesafetyfactorsbeinglessthan1,andunderaninclinationangle＞45°,theseismicmotionhasasignificanteffectonthelowerpartofthetunnelstructure(invertandarchspringing).

KeywordsTunnelengineering;Interfacebetweensoftandhardrock;Dynamicresponse;Relativedisplacement;High-intensityearthquake

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第68页）

AStudyoftheInteractionBetweenthePipesofaCurvedPipe-Roof

LiZhihong1LiJian2

(1GuangdongNanyueTransportationInvestment&ConstructionCo.Ltd.,Guangzhou510101;2ZhuhaiLinkManagementCenterof

HongKong-Zhuhai-MacaoBridgeProject,Zhuhai519030)

AbstractComparedwithstraightpipe-roofjackingconstruction,curvedpipe-roofjackingismoredifficultwithrespecttoaccuracycontrol,interactionbetweenpipesandpipe-roofformation.Usingthecurvedpipe-roofjackingoftheGongbeitunneloftheHongKong-Zhuhai-MacaoBridgeasanexample,theinteractionbetweenthepipesofacurvedpipe-roofisstudiedusingamodeltest,anumericalsimulationandanin-situtest,andthelawsandcharacteristicsoftheeffectsofpipe-jackingonthecumulativedisturbanceofthesoil,soilstrain,contactpressurebetweenthepipeandsoilandthejackingpathareanalyzed.Theresultsshowthat:1)intheprocessofpipejacking,thegroundsurfaceupliftsandthetransverseandlongitudinalsoilstrainincreasesinfrontofthejackingmachine;2)thevariationlawsofsoildisplacementandstrainobtainedbythemodeltestarealmostconsistentwiththenumericalsimulationresults;and3)withthehelpofeffectivejackingparametercontrolsandappropriateconstructionmeasures,theinteractionbetweenthepipesofacurvedpipe-roofcanbeeffectivelyreducedandcontrolledbytimelymeasuringandcorrectingthejackingdeviationtoensuresuccessfulformationofthepipe-roof.Keywords

Curvedpipe-jacking;Pipe-roof;Interaction;Modeltest;Numericalsimulation

102

第52卷第3期(总第362期)2015年6月出版

Vol.52，No.3，Total.No.362Jun.2015

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/os88.html